MAKALAH KOMUNIKASI BERGERAK

Persamaan Link Budget menggunakan Model Path Loss dan Model Propagasi Outdoor

Intan Pranestya Rahayu - 115060307111015

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG

2013

PEMBAHASAN

1. Desain Praktis dan Perhitungan/Persamaan Link Budget menggunakan Model Path

Loss

Path Loss adalah suatu metode yang digunakan untuk mengukur suatu loss yang

disebabkan oleh cuaca, kontur tanah dan lain lain, agar tidak mengganggu pemancaran antar 2

buah antenna yang saling berhubungan. Nilai path loss menunjukkan level sinyal yang melemah

(mengalami attenuation) yang disebabkan oleh propagasi free space seperti refleksi, difraksi, dan

scattering. Path loss sangat penting dalam perhitungan Link Budget, ukuran cell, ataupun

perencanaan frekuensi. Factor-faktor yang mempengaruhi nilai level daya dan path loss adalah

jarak pengukuran antara Tx dan Rx, tinggi antenna (Tx dan Rx) serta jenis area pengukuran.

Sedangkan, Link Budget merupakan sebuah cara untuk menghitung mengenai semua

parameter dalam transmisi sinyal, mulai dari gain dan losses dari Tx samapai Rx melalui media

transmisi. Link merupakan parameter dalam merencanakan suatu jaringan yang menggunakan

media transmisi berbagai macam. Link Budget ini dihitung berdasarkan jarak antara transmitter

(Tx) dan receiver (Rx). Link budget juga dihitung karena adanya penghalang antara Tx dan Rx,

misal gedung atau pepohonan, dan dengan melihat spesifikasi yang ada pada antenna. Manfaat

Link Budget antara lain :

Untuk menjaga keseimbangan gain dan loss guna mencapai SNR yang diinginkan di receiver

Mengetahui radius sel maksimum sebab loss yang diperoleh

Kebanyakan model propagasi radio itu berasal dari suatu kombinasi antara metode

analisis dan metode empiris. Metode pendekatan secara empiris yaitu dengan menyesuaikan

dengan kurva atau analisis suatu pernyataan yang menciptakan satu set data yang diukur. Hal ini

memiliki keuntungan yaitu memperhitungkan semua factor propagansi secara implisit, melalui

pengukuran lapangan yang sebenarnya. Seiring berjalannya waktu, telah muncul berbagai model

propagansi yang sekarang digunakan untuk memprediksi luas cakupan sinyal untuk desain

system komunikasi bergerak.

1

Dengan menggunakan model Path Loss yang digunakan untuk memperkirakan level

sinyal yang diterima sebagai fungsi jarak, maka ada kemungkinan dapat memperkirakan besar

SNR dalam komunikasi bergerak.

Log-distance Path Loss Model

Kedua model propagasi baik secara teoritis maupun pengukuran menunjukkan bahwa

rata-rata kekuatan sinyal yang diterima menurun secara logaritmis dengan jarak, apakah di

saluran radio dalam atau luar. Rata-rata path loss skala besar untuk pemisahan T-R (Transmitter-

Receiver) yang berubah-ubah dinyatakan sebagai suatu fungsi dari jarak yang menggunakan

eksponen path loss, n.

Atau

Dimana n adalah eksponen path loss yang

mengindikasikan tingkat path loss meningkat bersamaan dengan jarak, d0 adalah jarak referensi

2

dekat yang ditentukan dari pengukuran dekat dengan pemancar, dan d adalah jarak pemisahan T-R.

Kedua persamaan di atas menunjukkan rata-rata ensemble dari seluruh kemungkinan besar path

loss untuk jarak d. Saat diplot pada skala log-log, path loss digambarkan dengan garis lurus

dengan kemiriangan sama dengan 10n dB per decade.

Path loss pada jarak referensi dekat

Seperti yang diketahui bahwa d0 merupakan jarak referensi pada ruang hampa yang

sesuai untuk daerah propagasi. Pada daerah cakupan system seluler yang luas, 1 km merupakan

referensi jarak yang umum digunakan. Sedangkan dalam system mikroseluler, jarak yang

digunakan jauh lebih kecil ( 100 meter atau 1 meter). Jarak referensi harus selalu berada jauh

dari medan antenna sehingga efek near-field tidak mengubah besar path loss. Referensi path loss

dihitung menggunakan persamaan path loss pada ruang hampa yaitu Friis Free Space Equation

atau melalui pengukuran lapangan pada jarak d0.

3

DIbawah ini merupakan daftar besar eksponen path loss yang diperoleh dari berbagai lingkungan radio mobile :

Log-normal Shadowing

Jarak log model path loss tidak mempertimbangkan fakta, bahwa kekacauan lingkungan di

sekitarnya mungkin akan sangat berbeda di dua lokasi yang berbeda dengan pemisahan T-R yang

sama. Pengukuran menunjukan bahwa pada setiap nilai d, path loss PL(d) pada lokasi tertentu

adalah acak dan terdistribusi log secara normal (normal dalam dB) tentang nilai rata-rata

tergantung pada jarak itu yaitu :

dan

(Gain antenna termasuk dalam PL (d)) dimana Xσ merupakan variable acak zero-mean distribusi

Gaussian (dB) dengan devisiasi standar σ (dalam dB).

4

Distribusi log-normal menggambarkan efek bayangan random yang terjadi sepanjang

pengukuran lokasi yang memiliki jarak pemisahan T-R yang sama, tetpai memiliki berbagai

macam tingkat kekacauan pada jalur propagasi. Secara sederhana, Log-normal shadowing

menunjukkan bahwa pengukuran tingkat sinyal pada pemisahan T-R telah mengalami ditribusi

Gaussian tentang rata-rata jarak tergantung dimana tingkat sinyal tersebut diukur (satuan dE).

Dikarenakan PL(d) merupakan suatu variable acak dengan distribusi normal dalam dB

mengenai titik tengah jarak dependen, Pr(d) dan fungsi Q atau fungsi error (erf) dapat digunakan

untuk menunjukkan probabilitas level sinyal yang diterima akan melalui level tertentu.

Dimana,

Probabilitas level sinyal yang diterima yang akan melampaui nilai γ tertentu dapat dihitung dengan :

Dengan cara yang sama, probabilitas level sinyal yang diterima akan dibawah γ yaitu :

Dibawah ini merupakan gambar dari plot penghamburan pengukuran data dan disesuaikan

dengan MMSE model path loss untuk beberapa kota di Jerman. Dimana pada data tersebut, n =

2,7 dan σ = 11,8 dB.

5

Presentase Penentuan Area Cakupan

Hal ini menjelaskan bahwa karena efek bayangan random, beberapa lokasi dalam area

cakupan akan berada di bawah nilai ambang batas tertentu yang diinginkan untuk menerima

sinyal. Sekarang sering digunakan untuk menghitung bagaimana batas cakupan berkaitan dengan

6

presentase area cakupan yang terbatas. Untuk jangkauan area lingkaran memiliki radius R dari

base station.

Gambar diatasmerupakan representasi dari persamaan :

Dimana n = 4 dan σ = 8 dB dan memiliki daerah batasan 75%, maka area cakupan sama dengan

94%. Jika n = 2 dan σ = 8 dB, batas daerah cakupan 75% menyediakan daerah cakupan 91%.

Jika n =3 dan σ = 9 dB, maka batas daerah cakupan 50% menyediakan daerah cakupan 71%.

7

2. Outdoor Propagation Models

Transmisi radio di dalam sebuah system komunikasi bergerak seringkali terjadi medan

yang berlebihan dan tidak teratur. Profil medan dari daerah tertentu dibutuhkan untuk

menentukan besar path loss. Berikut merupakan beberapa model propagasi outdoor :

Longley-Rice Model

Model Longley-Rice Model Longley-Rice ini cocok untuk diterapkan pada system

komunikasi titik ke titik didalam frekuensi dari 400 MHz sampai 100 GHz.. Redaman media

transmisi dihitung dengan mengacu pada bentuk geometri dari profil permukaan daerah layanan

dan efek refraksi dari troposphere. Teknik geometri optik (utamanya model refleksi 2-ray)

digunakan untuk memperkirakan kekuatan sinyal sampai batas horizon gelombang radio.

Redaman karena difraksi dihitung dengan menggunakan model Fresnel-Kirchoff knife-edge.

Sementara itu teori hamburan digunakan untuk membuat perhitungan troposcatter pada jarak

jauh, dan redaman difraksi medan jauh dihitung dengan menggunakan metode Van der Pol-

Bremmer yang dimodifikasi.

Model Longley-Rice juga dapat digunakana dengan menggunakan program komputer

untuk menghitung redaman media transmisi dibandingkan terhadap redaman ruang bebas (free

space loss) pada daerah permukaan tidak teratur untuk selang frekuensi antara 20 MHz sampai

10 GHz. Parameter-parameter sebagai masukan dari program komputer tersebut adalah frekuensi

operasi, panjang lintasan, polarisasi, tinggi antenna, refraksi permukaan, radius effektif bumi,

konduktivitas tanah, konstanta dielektrik bumi, dan cuaca. Program juga dapat dioperasikan pada

parameter khusus seperti jarak horizon antenna, sudut elevasi horizon, jarak angular antar

horizon, ketidakteraturan permukann bumi, dan parameter-parameter khusus lainnya.

Model Longley-Rice bekerja pada dua mode. Jika informasi mengenai profile permukaan

lintasan tersedia secara mendetail maka parameter-parameter khusus lebih mudah untuk

8

menentukan dan menghitung redaman lintasan, mode ini disebut mode prediksi dari titik ke titik

(point to point mode). Pada sisi lain jika profile permukaan lintasan tidak tersedia maka metode

Longley-Rice meyediakan teknik untuk menghitung parameter-parameter khusus dari lintasan.

Mode prediksi ini disebut dengan area mode.

Durkin’s Model – A case Study

Model Durkin merupakan salah satu model propagasi klasik yang hampir memiliki

kesamaan dalam penggunaannya dengan model Longley-Rice. Model yang pertama kali

diterbitkan dalam paper oleh Edwards dan Durkin ini menggunakan komputer sebagai simulasi

untuk memprediksi kuat medan diatas permukaan bumi yang tidak teratur.

Sebagai masukan simulator untuk menghitung path loss, Durkin membaginya menjadi

dua bagian. Bagian pertama adalah akses terhadap database dari topografi dan informasi

profile permukaan bumi sepanjang arah radial dari transmitter ke receiver. Dengan asumsi

bahwa antenna receiver menerima semua energi yang berasal dari arah radial, maka tidak

terjadi efek multipath. Dengan kata lain propagasi yang dimodelkan disederhanakan ke dalam

bentuk Line of Sight (LOS) dan difraksi dari rintangan sepanjang arah radial, dan mengabaikan

pantulan dari benda-benda disekitarnya dan efek scater local. Sedangkan bagian kedua adalah

algoritma simulasi untuk menghitung perkiraan redaman lintasan sepanjang arah radial.

Dengan cara melakukan perhitungan secara iterasi dari pengukuran pada daerah yang

berbeda-beda tetapi masih dalam satu daerah layanan, maka dapat diperoleh kontur dari kuat

sinyalnya

9

Gambar di atas merupakan ilustrasi dari peninggian informasi dua dimensi

Jika kondisi tepi fraksi itu tunggal tidak puas, dengan pengecualinbahwa komputerakan mencaqri

dua asistensi terhat satu sama lain.

Jika profil medan gagal pada zona resnel yang pertama (i.e. V j > -0.8), maka ada dua

kemungkinan :

Non-LOS

LOS, tetapi dengan zona Fresnel tidak berukuran.

Untuk bagain non-LOS, tingkat system untuk 4 kategoru v:

Single diffraction Edge

Two diffraction edges10

• Okumura Model

Model Okumura merupakan salah satu model yang terkenal dan paling banyak

digunakan untuk melakukan prediksi sinyal di daerah urban (kota). Model ini cocok untuk range

frekwensi antara 150-1920 MHz dan pada jarak antara 1-100 km dengan ketinggian antenna

base station (BS) berkisar 30 sampai 1000 m.

Okumura membuat kurva-kurva redaman rata-rata relatif terhadap redaman ruang

bebas (Amu) pada daerah urban melalui daerah quasi-smooth terrain dengan tinggi efektif

antenna base station (hte) 200 m dan tinggi antenna mobile station (hre) 3 m. Kurva-kurva ini

dibentuk dari pengukuran pada daerah yang luas dengan menggunakan antenna

omnidirectional baik pada BS maupun MS, dan digambarkan sebagai fungsi frekuensi (range

100-1920 MHz) dan fungsi jarak dari BS (range 1-100 km). Untuk menentukan redaman lintasan

dengan model Okumura, pertama kita harus menghitung dahulu redaman ruang bebas (free

space path loss), kemudian nilai Amu (f,d) dari kurva Okumura ditambahkan kedalam factor

koreksi untuk menentukan tipe daerah. Model Okumura dapat ditulis dengan persamaan

berikut:

11

Dimana L adalah nilai rata-rata redaman lintasan propagasi, LF adalah redaman lintasan

ruang bebas, Amu adalah rata-rata redaman relatif terhadap redaman ruang bebas, G(h te)

adalah gain antena BS, G(hre) adalah gain antena MS, dan GAREA adalah gain tipe daerah. Gain

antena disini adalah karena berkaitan dengan tinggi antena dan tidak ada hubungannya dengan

pola antena.

Maka secara sederhana, spesifikasi detail dari model Okumura yaitu :

Frekuensi Jarak Tinggi transmitter Tinggi Receiver

150-2000 MHz 1-100 km 30-300 m >3 m

Beberapa koreksi juga dilakukan terhadap model Okumura. Beberapa parameter

penting seperti tinggi terrain undulation (Dh), tinggi daerah seperti bukit atau pegunungan yang

mengisolasi daerah, kemiringan rata-rata permukaan daerah, dan daerah transisi antara

daratan dengan lautan juga harus diperhitungkan. Jika parameter-parameter tersebut dihitung,

maka factor koreksi yang didapat dapat ditambahkan untuk perhitungan redaman propagasi.

Semua faktor koreksi akibat parameter-parameter tersebut juga sudah tersedia dalam bentuk

kurva Okumura.

Model Okumura ini, semuanya berdasarkan pada data pengukuran dan tidak

menjelaskan secara analitis hasil perhitungan yang diperoleh. Untuk kondisi tertentu, kita dapat

melakukan ekstrapolasi terhadap kurva Okumura untuk mengetahui nilai-nilai di luar rentang 12

pengukuran yang dilakukan Okumura, tetapi validitas dari ekstrapolasi yang kita lakukan sangat

bergantung kepada keadaan dan kehalusan kurva ekstrapolasi yang kita buat.

• Hata Model

Model Hatta merupakan bentuk persamaan empirik dari kurva redaman lintasan yang

dibuat oleh Okumura, karena itu model ini lebih sering disebut sebagai model Okumura-Hatta.

Model ini valid untuk daerah range frekuensi antara 150-1500 MHz. Hatta membuat persamaan 13

Gambar di atas menjelaskan bahwa

media dari redaman relative dengan

free space.

Gambar di atas menunjukkan factor

koreksi, GAREA, untuk perbedaan

tipe medan.

standard untuk menghitung redaman lintasan di daerah urban, sedangkan untuk menghitung

redaman lintasan di tipe daerah lain (suburban, open area, dll), Hatta memberikan persamaan

koreksinya.

Persamaan prediksi Hatta untuk daerah urban adalah:

Dimana :

F = frekuensi (MHz)

hb = tinggi antenna BTS (meter)

hm = tinggi antenna MS (meter)

d = jarak antara BTS – MS (km)

C1 = 69.55 untuk 400 ≤ f ≤ 1500

= 46.3 untuk 1500 < f < 2000

C2 = 26.16 untuk 400 ≤ f ≤ 1500

= 33.9 untuk 1500 < f ≤ 2000

dan

Persamaan prediksi Hatta untuk daerah dense urban adalah :

14

Dimana :

F = frekuensi (MHz)

hb = tinggi antenna BTS (meter)

hm = tinggi antenna MS (meter)

d = jarak antara BTS – MS (km)

C1 = 69.55 untuk 400 ≤ f ≤ 1500

= 46.3 untuk 1500 < f < 2000

C2 = 26.16 untuk 400 ≤ f ≤ 1500

= 33.9 untuk 1500 < f ≤ 2000

dan,

Persamaan prediksi Hatta untuk daerah suburban adalah :

Persamaan prediksi Hata untuk daerah rural terbuka adalah :

• PCS Extension to Hata Model

Merupakan formula pengembangan rumus Okumura Hata untuk frekuensi PCS (2 GHz)

15

dimana :

1500 MHz ≤ fC ≤ 2000 MHz

30 m ≤ hT ≤ 200 m ,

1 m ≤ hR ≤ 10 m

1km ≤ d ≤ 20 km

a(hR) adalah faktor koreksi antena mobile yang nilainya sebagai berikut :

• Untuk kota kecil dan menengah,

a(hR) = (1,1 log fC – 0,7 )hR – (1,56 log fC – 0,8 ) dB

dimana, 1 ≤ hR ≤ 10 m

• Untuk kota besar,

a(hR) = 8,29 (log 1,54hR )2 – 1,1 dB fC ≤ 300 MHz

a(hR) = 3,2 (log 11,75hR )2 – 4,97 dB fC ≤ 300 MHz

dan,

• Welfisch and Bertoni Model

Sebuah model yang dikembangkan oleh Walfisch dan Bertoni yang mempertimbangkan

dampak dari atap dan tinggi bangunan dengan menggunakan difraksi untuk memprediksi

kekuatan sinyal rata-rata di jalan. Model ini menganggap path loss, S, menjadi hasil dari tiga

factor.

Dimana P0 merupakan path loss pada ruang hampa antara antenna

isotropis, dinyatakan sebagai berikut :

Dalam dB, besar path loss adalah 16

CM

0 dB untuk kota menengah dan kota suburban

3 dB untuk pusat kota metropolitan

Gambar diatas merupakan propagasi secara geometri oleh Walfisch dan Bertoni

• Wideband PCS Microcell Model

Pada model bumi refleksi datar, jarak df pada Daerah Fresnel pertama hanya menjadi terhalang oleh tanah, dinyatakan dengan :

Untuk kasus LOS, model diasumsikan antenna vertical omnidirectional dan memperkirakan rata-rata path loss adalah :

17

Untuk kasus OBS, path loss ditemukan untuk menyesuaikan standar persamaan log-jarak path loss :

Tabel parameter untuk model mikrosel pita lebar pada frekuensi 1900 MHz

18